一种大尺度陆面水文过程模拟系统及方法与流程

本发明涉及流域水文模拟，尤其是涉及一种大尺度陆面水文过程模拟系统及方法。

背景技术：

1、随着气候变化和人类活动影响加剧，自然水循环过程发生明显变化，流域径流来源和去向变得更加复杂和更加难以判别，给水资源规划和利用带来了一定困难。例如，水库大坝工程改变了河流水量的年内或年际分布，引调水工程改变了河流水量的时空分布，城镇供水排水设施改变了水循环的时间和水质，这些改变都从一个或多个层面增加了流域水循环过程描述的难度。

技术实现思路

1、因此，本发明技术方案主要解决现有大尺度陆面水文过程模拟困难，不利于水资源规划和利用的缺陷，从而提供一种大尺度陆面水文过程模拟系统及方法。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种大尺度陆面水文过程模拟系统，包括：地表过程模块、地下水过程模块、河道汇流过程模块、水利设施模块、取用水过程模块、水质过程模块和溯源模块；

3、所述地表过程模块，用于获取陆面水文数据，并基于所述陆面水文数据确定大气降水到产生径流的地表数据；

4、所述地下水过程模块，用于获取地下水数据，基于所述地下水数据确定地下水的渗透数据；

5、所述河道汇流过程模块，用于基于所述陆面水文数据确定河道总径流；

6、所述水利设施模块，用于获取水利设施数据，基于所述水利设施数据确定水利设施的下泄流量与引调水流量；

7、所述取用水过程模块，用于获取取用水目标需求，基于所述取用水目标需求建立用水规则集；

8、所述水质过程模块，用于采集河道硝酸盐数据与河流温度数据，基于所述河道硝酸盐数据确定河道内硝态氮浓度，并基于所述河流温度数据确定河流水温；

9、所述溯源模块，用于基于所述大气降水到产生径流的地表数据、所述地下水的渗透数据、所述河道总径流、所述水利设施的下泄流量、所述引调水流量、所述用水规则集、所述河道内硝态氮浓度、所述河流水温确定水量组分来源，并基于所述水量组分来源确定陆面水文流动路径。

10、本发明实施例提供的一种大尺度陆面水文过程模拟系统，通过地表过程模块、地下水过程模块、河道汇流过程模块、水利设施模块、取用水过程模块、水质过程模块和溯源模块实现对大尺度陆面水文过程的精细模拟，通过不同模块之间的耦合，提升了各个模块的灵活性，并且通过对水量组分的溯源追踪，提高了对水循环的流动过程模拟的精确度。能够识别并保持径流在自然—社会二元水循环中的关键要素，并阐明流域水质水量变化过程，有利于水资源规划和利用。

11、结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述地表过程模块，包括：大气降水子模块、冠层截流子模块、雨水径流子模块、蒸散发子模块、土壤水子模块、地表径流子模块和冰川径流子模块；

12、所述大气降水子模块，用于获取冻结降水率、目标区域降水率、日平均气温、目标区域高程和降雪面积比例，基于所述冻结降水率与所述目标区域降水率确定降雨通量，并基于所述日平均气温、所述目标区域高程确定目标区域融雪率，基于所述目标区域融雪率和所述降雪面积比例确定总雪水当量；

13、所述冠层截流子模块，用于获取冠层截流蒸发率和穿透雨降水率，基于所述目标区域降水率、所述冠层截流蒸发率和所述穿透雨降水率确定冠层截流量；

14、所述雨水径流子模块，用于获取有效不透水面积和开放水面积，基于所述有效不透水面积、所述开放水面积、所述目标区域融雪率与所述目标区域降水率确定雨水径流；

15、所述蒸散发子模块，用于获取水的蒸发率、蒸散发量、蒸散发能力和目标环境数据，基于所述水的蒸发率、所述蒸散发量和所述蒸散发能力确定实际蒸散发，基于所述目标环境数据确定潜在蒸散发，基于所述实际蒸散发和所述潜在蒸散发确定总蒸散发数据；

16、所述土壤水子模块，用于获取单个土壤层数据，基于所述单个土壤层数据确定土壤有效持水量，并基于所述土壤有效持水率、所述目标区域融雪率、所述穿透雨降水率和所述实际蒸散发确定土壤湿度；

17、所述地表径流子模块，用于获取地表径流水箱的分配系数、地表径流水箱容量、单位时间的地表径流和溢流水量，基于所述地表径流水箱的分配系数、所述地表径流水箱容量、所述单位时间的地表径流和所述溢流水量确定地表径流水箱排水率；

18、所述冰川径流子模块，用于获取冰川出口位置，基于所述目标区域降水率与所述冰川出口位置确定冰川径流量。

19、结合第一方面，在另一种可能的实施方式中，所述地下水过程模块，包括：浅层地下水子模块和深层地下水子模块；

20、所述浅层地下水子模块，用于获取地下水动力常数和浅层地下水深度，基于所述地下水动力常数和所述浅层地下水深度确定浅层地下水汇入河道中的渗透率；

21、所述深层地下水子模块，用于获取用水需求，将所述用水需求与所述雨水径流和所述浅层地下水汇入河道中的渗透率分别进行比较，基于比较结果选择从深层地下水取水。

22、结合第一方面，在另一种可能的实施方式中，所述河道汇流过程模块，包括：雨水径流确定子模块、灌溉径流确定子模块和河道总径流确定子模块；

23、所述雨水径流确定子模块，用于获取地表径流水箱单位时间的溢流水量，基于所述目标区域降水率、目标区域降水率融雪率和所述地表径流水箱单位时间的溢流水量确定雨水径流；

24、所述灌溉径流确定子模块，用于获取重力加速度、灌溉径流水箱的分配系数和灌溉径流水箱容量，基于重力加速度、所述灌溉径流水箱的分配系数和所述灌溉径流水箱容量确定灌溉径流；

25、所述河道总径流确定子模块，用于将所述地表径流水箱排水率作为地表径流，将所述浅层地下水汇入到河道中的渗透率作为基流，基于所述地表径流、所述雨水径流、所述基流和所述灌溉径流确定河道总径流。

26、结合第一方面，在另一种可能的实施方式中，所述水利设施模块，包括：水库大坝工程子模块、小水电子模块和引调水工程子模块；

27、所述水库大坝工程子模块，用于获取水库大坝的当前水位与水库大坝调控规则，基于所述水库大坝的当前水位与水库大坝调控规则确定水库大坝工程泄流量；

28、所述小水电子模块，用于获取坝顶长度和水头高程，基于所述坝顶长度、所述水头高程和所述重力加速度确定小水电下泄流量；

29、所述引调水工程子模块，用于获取输水区取水流量、引调水最小流量、引调水最大流量和引调水比例系数，基于所述输水区取水流量、所述引调水最小流量、所述引调水最大流量和所述引调水比例系数确定引调水流量。

30、结合第一方面，在另一种可能的实施方式中，所述水质过程模块，包括：硝态氮模拟子模块和水温模拟子模块；

31、所述硝态氮模拟子模块，用于采集污水处理厂点源硝酸盐浓度、地表非点源硝酸盐浓度和河道内反硝化作用浓度，基于所述污水处理厂点源硝酸盐浓度、所述地表非点源硝酸盐浓度和所述河道内反硝化作用浓度确定所述河道内硝态氮浓度；

32、所述水温模拟子模块，用于采集河流上游来水初始水温、气温、河流网格单元大小、水的密度、水的比热、水深和河流流速，基于所述河流上游来水初始水温、所述气温、所述河流网格单元大小、所述水的密度、所述水的比热、所述水深和所述河流流速确定所述河流水温。

33、结合第一方面，在另一种可能的实施方式中，所述溯源模块，具体用于基于所述大气降水到产生径流的地表数据、所述地下水的渗透数据、所述河道总径流、所述水利设施的下泄流量、所述引调水流量、所述用水规则集、所述河道内硝态氮浓度、所述河流水温分别确定水量组分的总体积、流入水量组分的水量、从水量组分流出的水量和水量组分中包含水分量的比例，并基于所述水量组分的总体积、所述流入水量组分的水量、所述从水量组分流出的水量和所述水量组分中包含水分量的比例确定储水存量中的水量组分。

34、第二方面，本发明实施例还提供了一种大尺度陆面水文过程模拟方法，包括：

35、获取陆面水文数据，并基于所述陆面水文数据确定大气降水到产生径流的地表数据；

36、获取地下水数据，基于所述地下水数据确定地下水的渗透数据；

37、基于所述陆面水文数据确定河道总径流；

38、获取水利设施数据，基于所述水利设施数据确定水利设施的下泄流量与引调水流量；

39、获取取用水目标需求，基于所述取用水目标需求建立用水规则集；

40、采集河道硝酸盐数据与河流温度数据，基于所述河道硝酸盐数据确定河道内硝态氮浓度，并基于所述河流温度数据确定河流水温；

41、基于所述大气降水到产生径流的地表数据、所述地下水的渗透数据、所述河道总径流、所述水利设施的下泄流量、所述引调水流量、所述用水规则集、所述河道内硝态氮浓度、所述河流水温确定水量组分来源，并基于所述水量组分来源确定陆面水文流动路径。

42、第三方面，本发明实施例还公开了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如第二方面所述的一种大尺度陆面水文过程模拟方法的步骤。

43、第四方面，本发明实施方式还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第二方面所述的一种大尺度陆面水文过程模拟系统的步骤。